Možnosti využitia fotovoltaiky v panelových domoch

Článek shrnuje možnosti instalace fotovoltaických panelů na panelové domy, uvádí výhody a nevýhody různých řešení, porovnává energetický zisk z fotovoltaiky při různém umístění panelů.

 

Instalace fotovoltaických panelů v budovách je z mnoha důvodů vhodnější než budování velkých zdrojů často doslova na zelené louce. Instalace v budově však vyžaduje více individuální řešení, protože každá budova je jiná. Panelové budovy jsou z tohoto hlediska výhodnější, neboť technická řešení lze snáze opakovat.

 

Proč umístit fotovoltaiku na budovy?

Nezabírá se zemědělská půda.

Ačkoli ve skutečnosti je zábor půdy fotovoltaickou elektrárnou dočasný (na 20 let) a po této době se půda dá opět poměrně snadno vrátit do původního stavu, v současnosti je získání stavebního povolení pro fotovoltaickou elektrárnu (FVE) na volné ploše stále těžší. Instalace na budovy je tedy i určitým východiskem z nouze.

 

Elektrárnu lze snáze připojit k síti.

V budově je vždy již zřízena přípojka elektřiny, obvykle tedy stačí úpravou v hlavní elektrorozvodné skříni zřídit další přípojné místo. Naproti tomu velké FVE na velké ploše se musí připojovat k síti nově budovaným vedením, často s trafostanicí. Vzhledem k řádově vyšším výkonům FVE na volných plochách je v současnosti mnohdy nemožné elektrárnu k síti připojit, protože kapacita sítě je již nedostatečná (resp. blokovaná jinými projekty). Naproti tomu FVE na budově s výkonem desítek kW kapacitu sítě příliš nezatíží.

 

Menší vliv na provoz sítě.

Spotřeba elektřiny v budově má náhodný charakter, který je však statisticky popsán pomocí odběrové křivky. Podobnou křivku lze sestavit i pro výrobu elektřiny z FVE, na základě klimatických předpovědí. Část výroby se v budově ihned spotřebuje, zejména v administrativních budovách lze čekat, že dodávka do sítě bude minimální a bude připadat zejména na víkendy.

 

Vyšší výkupní ceny.

Od roku 2009 dostávají FVE do 30 kWp vyšší výkupní cenu, i když jen o symbolických 0,1 Kč/kWh (viz [2]). Trend zvýhodňovat elektrárny na budovách je i v dalšíc zemích EU, lze tedy předpokládat že i v budoucnu budou mít nové FVE na budovách výhodnější ekonomické podmínky.

 

Elektrárna je méně přístupná vandalům a zlodějům.

Oproti elektrárnám stavěným na louce kdesi za vesnicí je FVE v budově hůře přístupná nezvaným návštěvníkům. Odpadají náklady na oplocení, případně na zabezpečovací systém. Výrazně nižší jsou i provozní náklady spojené s ostrahou elektrárny. Lze očekávat i výhodnější pojistku.

 

Může sloužit jako vlastní zdroj elektřiny.

Pokud je v budově nutno zajistit provoz i při výpadku sítě (počítačové systémy, bezpečnostní systémy aj.), může fotovoltaika představovat vlastní nezávislý zdroj. Pokud FVE pracuje v režimu zelených bonusů, kryje se část spotřeby elektřiny v budově, což snižuje náklady na faktuře za elektřinu a významně vylepšuje ekonomiku provozu.

 

Snižuje ztráty v sítích.

Tím, že se elektřina z FVE spotřebuje buď ihned ve vlastní budově, nebo ji spotřebují ostatní odběratelé v bezprostřední blízkosti, klesá objem elektřiny dopravované z velkých centrálních elektráren. Tím se snižují ztráty v síti (celkové ztráty v síti v ČR jsou 5,6%).

 

Reprezentuje.

Fasáda z fotovoltaických panelů je desetkrát dražší než obklad budovy z mramoru.

 

Nevýhody fotovoltaiky umístěné na budovách

Plocha pro instalaci je omezená.

Ať už jde o panely na střeše nebo na fasádě, je využitelná plocha daná architektonickým řešením budovy. Plocha je dále omezena případným zastíněním – ať už sousedními budovami, stromy nebo vlastní budovou (křídla, komíny, střešní nástavby atd.). Orientace je daná budovou. Nejvyšších výnosů se dosahuje, jsou-li panely orientovány na jih, se sklonem 35 ° (pomineme-li systémy s automatickým natáčením panelů za sluncem, které na budově instalovat v podstatě nelze). Odchylky od této polohy snižují výnosy, což zhoršuje ekonomiku. Pouze u budov s dostatečně velkou plochou střechou lze panely umístit na konstrukci s optimálním sklonem a orientací.

 

Fotovoltaika může zhoršit vzhled budovy.

Pohledná integrace panelů do budovy se někdy nepovede. Typickým problémem je umisťování obdélníkových panelů na trojúhelníkové plochy střech. U fasád je často problém najít panely, jejichž rozměry budou ve vhodném poměru ke stávajícím oknům, totéž se týká i střešních oken a panelů na střeše.

 

Je nutné řešit kotvení.

U fotovoltaických panelů na šikmé střeše lze obvykle bez problémů kotvit nosnou konstrukci panelů do krovu. Existují různé háky, které umožní průchod taškovou nebo jinou krytinou. Panely nikdy nepřesahují hřeben, což snižuje i namáhání konstrukce větrem. Přitížení je cca do 40 kg/m2, což zejména pro starší budovy není problém.

U panelů na ploché střeše je nutno nosnou konstrukci panelů kotvit, zejména proti namáhání větrem (konstrukce musí odolat větru o rychlosti 130 km/h). U menších konstrukcí lze použít gravitační kotvení pomocí betonových závaží. Podmínkou je však dostatečná nosnost střechy. To bývá obvykle jednodušší u tzv. obrácených střech, kde je tepelná a hydroizolace překrytá např. vrstvou oblázků nebo dlažbou.

U dvouplášťových střech (na většině panelových domů) není někdy vnější plášť dostatečně nosný. Pak je nutno konstrukci kotvit do stropních železobetonových panelů. Přitom hrozí poškození hydroizolace a následné zatékání. Jiným řešením je kotvit nosnou konstrukci fotovoltaických panelů do atiky.

 

 

Obr. 1: Panely střeše základní školy na konstrukci s gravitačním kotvením. Zdroj: EkoWATT.

 

 

Obr. 2: Panely střeše MFF UK, kde kotvení konstrukce prochází hydroizolační vrstvou. Zdroj: Solartec s.r.o.

 

Vliv sklonu a orientace

Pokud chceme zachytit maximum dopadajícího slunečního záření, musíme použít pohyblivou konstrukci (tracker), který bude panely natáčet za Sluncem tak, aby záření dopadalo vždy kolmo na panely. Instalace trackerů na budovy se šikmou střechou nepřichází v úvahu. Montáž trackerů na plochou střechu je teoreticky možná. Prvním problémem je dostatečné ukotvení trackeru do střechy, protože tracker je silně namáhaný větrem. Větším problémem je změna vzhledu budovy. Kompromisem by mohlo být v některých případech použití jednoosého trackeru, s osou v daném sklonu, který naklápí panely během dne od východu k západu. V ČR se s takovouto konstrukcí setkáváme zatím jen u instalací na volné ploše.

U budov tedy předpokládáme umístění FVE s pevnou orientací a sklonem. Pro celou ČR je optimální sklon 35 ° (rozdíl mezi nejsevernějším a nejjižnějším místem lze zanedbat). Optimální orientace je na jih, přičemž odchylka k západu je výhodnější než k jihovýchodu. To je dáno tím, že v dopoledních hodinách je obvykle větší oblačnost, takže dopadající energie je menší. Dobře je to vidět v grafech, které porovnávají produkci FVE (umístěné na Fakultě stavební ČVUT v Praze) s orientací na JV a JZ, obě FVE mají sklon 45 °.

 

 

Obr. 3: Výkon panelů s orientací JV a JZ za polojasného letního dne.

 

Obr. 4: Výkon panelů s orientací JV a JZ za jasného jarního dne.

 

Při dlouhodobějším srovnání produkce JV a JZ orientovaných panelů je vidět, že jihozápadní panely mají většinu roku vyšší produkci než jihovýchodní. Pouze v letních měsících je produkce jihovýchodních panelů vyšší nebo stejná jako jihozápadních. To je dáno tím, že v odpoledních hodinách má venkovní vzduch vyšší teplotu, takže účinnost JZ panelů se snižuje. V celoročním srovnání pak mají jihozápadně orientované panely o 5 až 7 % vyšší produkci než jihovýchodní.

 

 

Obr. 5: Produkce panelů s různou orientací v jednotlivých letech - Praha.

 

Podobně při porovnání produkce panelů se stejnou orientací, ale různým sklonem se ukazuje, že teoretický předpoklad ideálního sklonu 35° je správný. Při srovnání produkce různě skloněných panelů na FVE na budově MŽP v Praze (viz tab. 1 a obr. 6) se ukazuje, že snížení produkce panelů ve sklonu 55° je oproti panelům s ideálním sklonem 32° velmi malé, menší než je předpoklad modelů. Naopak produkce panelů umístěných svisle je nižší, než by odpovídalo menší dopadající energii (dle předpokladu modelů). To je zřejmě způsobeno i zhoršením účinnosti panelů umístěných na fasádě, které se hůře ochlazují a proto mají vyšší teplotu a tím horší účinnost.

 

 

Tabulka 1: Srovnání vlivu různého sklonu panelů na budově MŽP - Praha.

 

 

Obr. 6: Měrná produkce panelů se shodnou orientací a různým sklonem – MŽP ČR.

 

 

Obr. 7: Měrná produkce panelů s různou orientací a různým sklonem – FSV ČVUT v Praze.

 

Závěr

Instalace fotovoltaických systémů na budovách je perspektivním směrem vývoje. Při návrhu systému je třeba správně předem stanovit množství dopadající energie v závislosti na sklonu a orientaci panelů, přičemž nejméně výhodné je umístění panelů na fasádu. Zde je třeba vyřešit nejen estetickou stránku (např. poměr velikosti panelů a oken), ale zejména technické problémy při kotvení panelů do stávající fasády (nosné prvky fotovoltaického systému by neměly vytvářet tepelný most v konstrukci obvodové stěny). V současnosti je výhodnější umisťovat fotovoltaická zařízení na ploché střechy, což je pro panelové domy velmi vhodné.

 

Poděkování

V článku jsou využity poznatky z výzkumného projektu „Fotovoltaika v budovách“, podpořeného MŽP ČR v roce 2009 (shrnutí výsledků projektu viz 1). Článek je součástí informační kampaně projektu výzkumu a vývoje Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu VAV-SP-3g5-221-07 podpořeného Ministerstvem pro životní prostředí České republiky. Za podporu děkujeme.

 

Ing. Karel Srdečný,

Ing. Jiří Beranovský, PhD., MBA

EkoWATT CZ, s.r.o.

 

Recenzent

Ing. Tomáš Matuška, PhD.

 

 

Odkazy (nebo použité zdroje)

[1] http://fotovoltaika.ekowatt.cz/

[2] Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 5/2009 ze dne 23. listopadu 2009,

 

O autorech

Ing. Karel Srdečný (*1969), vedoucí kanceláře v Českých Budějovicích, senior konzultant a koordinátor projektů, energetický auditor a akreditovaný odborný poradce EKIS (MPO).

Odborně se specializuje na problematiku nízkoenergetických domů a stavění z ekologických materiálů. V oblasti obnovitelných zdrojů se věnuje zejména jejich využití v obytných budovách. Intenzivně se věnuje poradenské a publikační činnosti. Je autorem nebo spoluautorem řady odborných i populárně naučných publikací z oblasti energetiky a ekologického poradenství. Zajišťuje provoz Energetického poradenského a informačního střediska EkoWATT v Českých Budějovicích. V EkoWATTu působí od roku 1992.

 

Ing. Jiří Beranovský, PhD., MBA předseda o. s. EkoWATT, jednatel EkoWATT CZ s. r. o., senior konzultant v oblasti energetiky, energetický auditor, akreditovaný poradce EKIS (MPO) a odborný asistent na Katedře ekonomiky, manažerství a humanitních věd při Fakultě elektrotechnické na ČVUT Praha.

Specializuje se na rozhodovací procesy a vícekriteriální hodnocení, strategii investic, ekonomiku a financování energetických úspor a obnovitelných zdrojů energie, podnikatelské záměry a studie proveditelnosti, matematicko-fyzikální modelování energetických systémů, energetické audity budov a podnikatelských záměrů. V oblasti obnovitelných zdrojů energie se zaměřuje zejména na využití energie biomasy, sluneční a větrné energie. Byl zodpovědným řešitelem několika projektů výzkumu a vývoje se zaměřením na obnovitelné zdroje. Je autorem či spoluautorem řady publikací z oblasti obnovitelných zdrojů a energetických úspor. Je jedním ze zakladatelů EkoWATTu, kde působí od roku 1990.

 

Ing. Karel Srdečný,

Ing. Jiří Beranovský, PhD., MBA

EkoWATT CZ, s.r.o.

 

Recenzent

Ing. Tomáš Matuška, PhD.